AMPLIACIÓN DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN CURSO 2008/09

PROBLEMAS

TEMA 1 TBTR1. Prepara una hoja de cálculo para la determinación de puntos de burbuja y de rocío de la mezcla ternaria ideal. Aplícala al sistema benceno-tolueno-m-xileno. Datos: ln Piº = A + B/T + C lnT + D TE Piº en Pa T en K

Componente A B C D E Benceno 78,05 -6275,5 -8,4443 6,26E-06 2 Tolueno 83,359 -6995 -9,1635 6,23E-06 2 m-xileno 84,744 -7594,1 -9,257 5,55E-06 2

TBTR2. Prepara una hoja de cálculo para la determinación de puntos de burbuja y de rocío de la mezcla ternaria n-propanol (1)-isopropanol (2)-benceno (3). Los puntos de ebullición normales de los tres componentes son, respectivamente, 97.3ºC, 82.3ºC y 80.1ºC. El par binario 1, 3 forma un azeótropo de punto de ebullición mínimo a 77.1ºC y el par 2, 3, otro a 71.7ºC. Utiliza el siguiente modelo para el cálculo de los coeficientes de actividad:

∑

∑

==φ

−+

+

δφ−δ

=γ =

iLiLL

iLii

L

iL

L

iL

2c

1jjjiiL

i

vx v v

vx

v

v1

v

vln

RT

v

exp

donde: viL es el volumen molar del componente i, líquido (cm3/,mol) φi es la fracción en volumen de j, suponiendo volúmenes aditivos

δj es el coeficiente de solubilidad del componente j (cal/cm3)1/2 ( δλ

j

j

jL

RT

v=

−

1 2/

)

Datos:

D

C

T

B

A

−+

=ρ11

Densidad molar (kmol/m3): (T en K)

Componente A B C D n-propanol 1,235 0,27136 536,78 0,24 isopropanol 1,18 0,26475 508,31 0,243 benceno 1,0259 0,26666 562,05 0,28394

Presión de vapor: ln Piº = A - B/(T + C); Piº en mm Hg y T en K

Componente A B C n-propanol 17,232 3008,3 -83,491 isopropanol 17,664 3109,3 -73,546 benceno 16,175 2948,8 -44,563

λi puede calcularse en función de la temperatura mediante la siguiente correlación:

( )( )rTCBri T1A ⋅+−=λ

con λi en J/kmol y Tr = T/Tc Componente A B C Tc (K) n-propanol 6.330·107 0.35750 - 562.05 isopropanol 5.698·107 0.08700 0.3007 508.31 benceno 4.535·107 0.39053 - 536.71 TBTR3. La siguiente mezcla se introduce en una columna de destilación como líquido saturado a 1.72 MPa. Calcula la temperatura del punto de burbuja. Resuelve el problema considerando que se trata de una mezcla ideal.

Compuesto kmol/h Etano 1.5 Propano 10.0 n-Butano 18.5 n-Pentano 17.5 n-Hexano 3.5

TBTR4. Una mezcla equimolar de benceno y tolueno se evapora totalmente a una temperatura constante de 90ºC. ¿Cuáles son las presiones de comienzo y finalización del proceso de vaporización?. Considera disolución ideal y utiliza la ecuación de Antoine para las presiones de vapor. TBTR5. Ha de separarse propileno de 1-buteno por destilación con el fin de obtener un vapor destilado que contenga 90% en moles de propileno. Calcula la presión de operación de la columna suponiendo que la temperatura a la salida del condensador parcial es de 100ºF (37.8ºC), la mínima alcanzable con el agua de refrigeración. Determina la composición del líquido de reflujo.

TBTR6. a) Calcula la temperatura del punto de burbuja de la siguiente mezcla, a 50 psia. b) Calcula la temperatura que resulta para una vaporización de un 25% a esta presión. Determina las correspondientes composiciones del líquido y el vapor. Datos: (Ki/T)1/3 = a1 + a2T + a3T

2 + a4T3 (T en ºR)

Componente zi a1 x 101 a2 x 103 a3 x 106 a4 x 109 Metano 0.005 -2,2389 1,8427 0,9633 -3,3378 Etano 0.595 -0,7618 0,3052 1,6787 -1,7814 n-Butano 0.400 -0,2429 0,3136 -1,2511 2,1044 FLI1. Calcula la composición y las cantidades relativas de las fases en equilibrio formadas al someter a destilación súbita, a 150ºF y 50 psia, una mezcla con la siguiente composición:

Componente fracción molar Ki C2 0.0079 16.2 C3 0.1321 5.2 i-C4 0.0849 2.6 n-C4 0.2690 1.98 i-C5 0.0589 0.91 n-C5 0.1321 0.72 C6 0.3151 0.28

FLI2. Los 5597 kmol/h de vapor caliente que salen del reactor de hidrodealquilación térmica a alta presión y alta temperatura de tolueno a benceno se condensan parcialmente enfriando con agua hasta 100ºF (310.8 K) y después se separan las fases que se producen en una cámara flash. Si la velocidad de flujo y la composición del efluente del reactor son las que se indican seguidamente, y la presión de la cámara flash es 485 psia (3344 kPa), calcula las composiciones de equilibrio y las velocidades de flujo del vapor y del líquido que salen de la cámara de flash.

Componente Fracción molar Hidrógeno 0.31767 Metano 0.58942 Benceno 0.07147 Tolueno 0.02144

Utiliza la correlación de Chao-Seader para calcular el coeficiente de actividad de la fase líquida y considerar que la fase vapor se comporta idealmente. La correlación de Chao-Seader:

∑==φ

−+

+

∑ δφ−δ

=γ =

iLiL

iLii

L

iL

L

iL

c

jjjiiL

i

vxv

vx

v

v

v

v

RT

v

L

2

1

v

1lnexp

donde: viL es el volumen molar del componente i, líquido (cm3/,mol) φi es la fracción en volumen de j, suponiendo volúmenes aditivos

δj es el coeficiente de solubilidad del componente j (cal/cm3)1/2 (

2/1

−λ=δ

jL

jj

v

RT)

Datos:

componente δi (cal/cm3)1/2 viL (cm3/mol) H 0 31 M 5,68 52

ln (Piº/Pci) = A1 - A2/(T + A3) Pci= presión crítica de i; T en ºF

componente A1 A2 A3 Pc (psia) H 5,602657 418,1773 474,214 190,8 M 5,14135 1742,638 452,974 673,1 B 5,658375 5307,813 379,456 714,2 T 5,944251 5836,287 374,745 587,8

Densidad molar (kmol/m3): (T en K)

Componente A B C D

B 1,0259 0,26666 562,05 0,28394 T 0.8792 0.27136 591.75 0.29241

λi puede calcularse en función de la temperatura mediante la siguiente correlación:

( )( )2rr TDTCB

ri T1A ⋅+⋅+−=λ

con λi en J/kmol y Tr = T/Tc

D

C

T

B

A

−+

=ρ11

Componente A B C D Tc (K) B 4.5350·107 0.39053 - - 536.71 T 4.9510·107 0.37742 - - 591.79

FLI3. Una mezcla de hidrocarburos que contiene 20% en moles de n-butano, 50% en moles de n-pentano y 30% en moles de n-hexano, se alimenta a una cámara de vaporización flash, dando un producto en equilibrio a 250ºF. El 90% del hexano se recupera en el líquido. Calcula el caudal y la composición del vapor, y la presión necesaria para llevar a cabo la operación. Si el mismo alimento se introduce en una cámara de vaporización flash a 10 atm y 270ºF, calcula los caudales y las composiciones de las dos fases en equilibrio que se obtienen. FLI4. 100 kmol/h de una alimentación compuesta por 25 moles % de n-butano, 40 moles % de n pentano y 35% moles % de n-hexano se someten a flash en condiciones de estado estacionario. Si se ha de recuperar el 80% del hexano en el líquido a 240ºF, ¿Qué presión se requiere y cuáles son las composiciones del líquido y el vapor? FLI5. Se añaden 0.25 moles de un componente que sólo se encuentra en la fase ligera a 1 mol de hidrocarburos para dar un alimento con la composición que se indica en la siguiente tabla. Calcula la cantidad y la composición de las fases en equilibrio a 150ºF y 50 psia.

Componente zi (fracción molar) Ki (a 160ºC y 50 psia) Sólo en fase ligera 0.2 C2 0.0063 16.2 C3 0.1057 5.2 i-C4 0.0679 2.6 n-C4 0.2152 1.98 i-C5 0.0471 0.91 n-C5 0.1057 0.72 C6 0.2521 0.28

FLI6. Calcula las temperaturas del punto de burbuja y del punto de rocío de una mezcla de 0.4 de fracción molar de tolueno (1) y 0.6 de fracción molar de iso-butanol (2) a 101.3 kPa. Los valores de K se pueden obtener utilizando la ecuación de Antoine para la presión de vapor y γ1 y γ2 a partir de la ecuación de van Laar con A12 = 0.169 y A21 = 0.243. Si la misma mezcla se somete a flash a una temperatura media aritmética entre el punto de burbuja y el punto de rocío a 101.3 kPa, ¿qué fracción se vaporiza y cuáles son las composiciones de las dos fases? FLA1. Dada la siguiente mezcla, calcula la cantidad de vapor que se forma cuando se somete a un flash adiabático a 300 psia y 200º F. ¿Cuál debe ser la temperatura (y la entalpía) del alimento para que el flash transcurra adiabáticamente?. Utiliza el valor obtenido para, suponiendo desconocido el valor de la temperatura del flash, recalcular ésta para que el flash sea adiabático.

Componente lbmol C2H4 2.0 C2H6 3.0 C3H6 5.0 C3H8 10.0 n-C4 60.0 i-C4 20.0

Para el cálculo de la entalpía, utiliza la siguiente aproximación, válida a presiones moderadas: Hv = ΣyiHivº

F)0º = referencia de T = (T k

)TT(adTºcºH o

5

1k

ko

kk

T

Tpiv

o

∑−=∫=

=

HL = Σxi (Hivº - λi) λi = A2RT2/(T’ + A3)

2 (T’ en ºF y T en ºR) (El estado de referencia es vapor a 0ºF) FLA2. Una corriente de 1 kmol formada por los seis hidrocarburos que se indica después, se somete a flash adiabático. La entalpía de la alimentación HF es 13210 BTU y la presión es 300 psia. Calcula la temperatura del flash, así como la cantidad y composición de los productos formados. Datos: Composición del alimento (fracciones molares) y valores de K : (Ki/T)1/3= a1,i + a2,i T + a3,i T

2 + a4,i T3 (T=ºR)

Componente zi a1 x 102 a2 x 105 a3 x 108 a4 x 1012

etileno 0.02 -2.177995 62.124576 -37.562082 8.0145501 etano 0.03 -9.8400210 67.545943 -37.459290 -9.0732459 propileno 0.05 -25.098770 102.39287 -75.221710 153.84329 propano 0.10 -14.512474 53.638924 -5.3051604 -173.58329 n-butano 0.60 -14.181715 36.866353 16.521412 -248.23843 i-butano 0.20 -18.967651 61.239667 -17.891649 -90.855512

Entalpía (T en ºR) (Hli)

1/2 = c1,i + c2,i T + c3,i T2

(Hvi)1/2 = e1,i + e2,i T + e3,i T

2

Componente c1 c2 x 10 c3 x 105 e1 e2 x 104 e3 x 106

etileno -7.2915 1.5411962 -1.6088376 56.79638 615.93154 2.4088730 etano -8.4857 1.6286636 -1.9498601 61.334520 588.7543 11.948654 propileno -12.4279 1.8834652 -2.4839140 71.828480 658.5513 11.299585 propano -14.50006 1.9802223 -2.9048837 81.795910 389.81919 36.470909 n-butano -20.29811 2.3005743 -3.8663417 152.66798 -1153.4842 146.64125 i-butano -16.553405 2.1618650 -3.1476209 147.65414 -1185.2942 152.87778 P1. Una mezcla de los ácidos propiónico y n-butírico, que puede admitirse que forman una solución ideal, ha de separarse por destilación para obtener un destilado con 95% en moles de ácido propiónico y unas colas con 95% de ácido butírico. Determina el tipo de condensador a utilizar y estima la presión de operación en la columna de destilación. P2. Ha de utilizarse una secuencia de dos columnas de destilación para obtener los productos que se indican en la figura. Establece el tipo de condensador y una presión de operación para cada una de las columnas en los casos siguientes: a) Secuencia directa (primera separación C2/C3) b) Secuencia indirecta (primera separación C3/nC4) kmol/h C1 160 C2 365 C3 5 Secuencia de dos columnas kmol/h de destilación kmol/h C3 230 C2 5 C1 160 C3 230 C2 370 nC4 1 C3 240 nC4 25 nC5 5 kmol/h C3 5 nC4 24 nC5 5 P3. Para cada una de las dos separaciones por destilación (D - 1 y D - 2) que se indican más abajo, establece el tipo de condensador y la presión de operación. Las mezclas pueden considerarse ideales.

P4. Una mezcla de hidrocarburos entra como alimentación de una columna de destilación como líquido en el punto de burbuja a 300 psia, con la siguiente composición en fracciones molares: C2 = 0.08, C3 = 0.15, nC4 = 0.20, nC5 = 0.27, nC6 = 0.20 y nC7 = 0.10. Para una separación nítida entre nC4 y nC5, determina la presión de la columna y el tipo de condensador, si la temperatura de salida del mismo es de 120ºF. FUG1. Para el desbutanizador de la figura:

a) Calcula el número mínimo de etapas de equilibrio por la ecuación de Fenske. Supón una presión uniforme de 80 psia (552 kPa) en todo el sistema.

b) Determina la distribución de los componentes no clave, por medio de la ecuación de Fenske.

c) Calcula el reflujo interno mínimo suponiendo una separación de clase 1. El alimento entra vaporizado en un 13.3%. Comprueba la validez de esta suposición.

d) Calcula el reflujo interno mínimo suponiendo una separación de clase 2 y utilizando las correspondientes ecuaciones de Underwood. Comprueba la validez de las suposiciones de Underwood. Calcula también la relación de reflujo externa.

e) Utiliza la correlación de Gilliland para determinar las etapas teóricas necesarias para un reflujo externo de 1.5·Rmín.

f) Utiliza la ecuación de Kirkbride para determinar la localización de la etapa de alimentación.

En la siguiente figura, los valores entre paréntesis son estimaciones de distribución de componentes no clave.

Utiliza el mismo modelo que en el problema FLA1 para el cálculo de las entalpías. FUG2. La mezcla multicomponente que se describe en la siguiente tabla se alimenta a una columna de rectificación. El alimento es un líquido saturado. Diseña la columna para obtener un porcentaje de recuperación en el destilado del 90% de componente C y del 10% de componente D. Se considera adecuado que la columna opere a una razón de reflujo 1.5 veces superior a la mínima. Se puede considerar que el reflujo externo y el interno son prácticamente iguales. Especifica en qué momento se hace uso de la consideración anterior.

Componente FxF α

A 0.05 3 B 0.1 2.1 C 0.3 2 D 0.5 1 E 0.05 0.8

FUG3. Considera la separación por destilación de un efluente clorado para la recuperación de C2H5Cl. La alimentación es un líquido a su punto de burbuja para una presión de la columna de 240 psia, con la siguiente composición y los valores de K que se indican para las condiciones de la columna:

Componente Fracción molar K C2H4 0.05 5.1 HCl 0.05 3.8 C2H6 0.10 3.4 C2H5Cl 0.80 0.15

Las especificaciones son: (xD/xB ) para C2H5Cl = 0.01 (xD/xB ) para C2H6 = 75 Determina (mediante métodos aproximados): 1. El número mínimo de etapas teóricas 2. La distribución de productos 3. El reflujo mínimo (interno). 4. El número de etapas teóricas para 1.5 veces el valor del reflujo mínimo

(interno) 5. La etapa de alimentación La columna tendrá un condensador parcial y un ebullidor parcial. FUG4. Una columna de rectificación se alimenta con una mezcla, vaporizada en un 66%, cuya composición se indica en la tabla adjunta. La columna consta de caldera y condensador parcial y la razón de reflujo es de 1.5. La presión de operación de la columna es de 315 psia. Considera despreciables las pérdidas de presión en el condensador y en la columna. Se desea recuperar el 98.4 % del C3 alimentado y el 1.76% del C4 alimentado en el destilado. a) Diseña la columna de forma aproximada b) Realiza una simulación rigurosa

Componente zi (fracc. Molar) metano 0.26 etano 0.09 propano 0.25 n-butano 0.17 n-propano 0.11 n-hexano 0.12

FUG5. Para la operación de destilación que se indica seguidamente, calcula el número mínimo de etapas de equilibrio y la distribución de los componentes no clave utilizando la ecuación de Fenske.

FUG6. Se ha de diseñar una columna de rectificación para la separación que se indica. Estima el número de etapas de equilibrio que se requieren suponiendo que es igual a 2.5 veces el número de etapas para reflujo total. ¿Cuál es la razón de reflujo óptima para esta separación?. El alimento se introduce vaporizado en un 50% y la presión de operación (constante en toda la columna) es de 30 psia.

FUG7. La siguiente mezcla de alimentación ha de separarse por destilación ordinaria a 120 psia de forma que se obtenga un destilado con el 92.5% en moles del n-C4 y unas colas con el 82.0% en moles del i-C5. a) Calcula el número mínimo de etapas de equilibrio aplicando la ecuación de Fenske. b) Utiliza la ecuación de Fenske para determinar la distribución de componentes no clave en el destilado y en las colas c) Suponiendo que la alimentación está en su punto de burbuja, utiliza el método de Underwood para determinar la relación de reflujo mínima. d) Calcula el número de etapas teóricas que se requieren por la correlación de Gilliland, suponiendo L/D=1,2(L/D)min, un ebullidor parcial y un condendador total. e) Determina la localización de la etapa de alimentación.

Componente lbmol/h

C3 5

iC4 15 nC4 25 iC5 20 nC5 35

suma 100 FUG8. Calcula el reflujo mínimo (interno) para llevar a cabo la separación de una mezcla de 100 kmol/h con la siguiente composición: 5% de componente LLK, 45% de componente LK y 50% de componente HK, para dar lugar a un destilado que contiene el 90% del componente LK alimentado y un residuo con el 90% del componente HK alimentado. A 1 atm (presión en el plato de alimentación de la columna), la muestra se encuentra vaporizada en un 10%. Considera que el sistema se comporta como una mezcla ideal y que el componente LLK no se encuentra repartido. Datos:

Compuesto A B C D ELLK 83,107 -6486,2 -9,2194 6,98E-06 2LK 76,945 -6729,8 -8,179 5,30E-06 2HK 78,341 -8019,8 -8,1458 3,90E-06 2

Eoi T DlnT C

TB

AP ln +++=P en Pa y T en K

FUG9. Una columna de destilación se alimenta con 100 kmol/h de una mezcla con la siguiente composición (% molares): 10% de componente LLK, 55% de componente LK y 35% de componente HK. El alimento es un líquido saturado y la razón de reflujo es 1.2 veces el mínimo. Se desea recuperar un 99.5% de LK en el destilado de forma que, además la fracción molar de LK en el destilado sea de 0.75. Calcula, de manera aproximada, el número de etapas de equilibrio necesarias y la localización óptima del piso de alimentación. Datos: αLNK = 5.33, αLK = 1.33, αHK = 1. HENG1. Una columna de rectificación se alimenta con una mezcla, vaporizada en un 66%, cuya composición se indica en la tabla adjunta. La columna consta caldera y un condensador parcial y la razón de reflujo es de 1.5. La presión de operación de la columna es de 315 psia. Considera despreciables las pérdidas de presión en el condensador y en la columna. Se desea recuperar el 98.4 % del C3 alimentado y el 1.76% del C4 alimentado en el destilado. Construye el diagrama de Hengstebeck y calcula el número de pisos y el reflujo mínimo.

Componente zi (fracc. Molar) metano 0.26 etano 0.09 propano 0.25 n-butano 0.17 n-propano 0.11 n-hexano 0.12

HENG2. Para el mismo sistema del problema FUG8, calcula el número de etapas ideales para un reflujo 1,5 veces superior al mínimo, utilizando el método de Hengstebeck. Sugerencias: - utiliza el valor de Rmín calculado en el problema anterior. - para la determinación de las compomposiciones limitantes, calcula KHK como L/V y KLK y KLNK a partir de αi = Ki/KHK, considerando αLLK = 13.9 y αLK = 6.2. - calcula el equilibrio efectivo considerando que se trata de una mezcla binaria y utilizando las volatilidades relativas sugeridas en el punto anterior. HENG3. El alimento de un despropanizador se encuentra vaporizado en un 66% al entrar en la columna. La composición y la volatilidad relativa del alimento se indican en la tabla adjunta. Se requiere recuperar el 98% del propano en el destilado y el 99% del butano en el residuo. Calcula las composiciones efectivas de alimento, destilado y residuo. Con los datos del enunciado, ¿se pueden calcular las ecuaciones de las rectas operativas efectivas? En caso afirmativo, calcúlalas y, en caso negativo, indica qué datos adicionales se requeriría, justificando en cada caso la respuesta.

zf α metano 0,26 18,71 etano 0,09 4,74 propano 0,25 1,93 butano 0,17 1,00 pentano 0,11 0,47 hexano 0,12 0,24

GR1. En la figura se muestra un absorbedor en el que los componentes más pesados de una mezcla ligeramente sobrecalentada de hidrocarburos gaseosos han de separarse por absorción a 400 psia (2.76 MPa) con un aceite de peso molecular relativamente elevado. Se desea realizar una estimación de los flujos y composiciones del vapor y del líquido a la salida, por el método de grupo, si la velocidad de flujo de absorbente que entra es 165 lbmol/h y se utilizan 6 etapas teóricas. Se puede suponer que el absorbente se recircula desde un absorbedor, y que tiene una temperatura y una composición conocidas.

Datos: Las propiedades termodinámicas de las seis especies a 400 psia, desde 0ºF hasta 300ºF se correlacionan mediante las siguientes expresiones, cuyas constantes se tabulan en las tablas siguientes y donde T = ºF y H = Btu/lbmol Ki = ai + biT +giT

2 + diT3

HVi = Ai + BiT + CiT2

hLi = ai + biT + ciT2

Componente α β γ δ

C1 4,35 0,02542 -0,00002 8,33E-09 C2 0,65 0,008183 0,0000225 -2,33E-08 C3 0,15 0,002383 0,0000235 -2,33E-08 C4 0,0375 0,0005725 0,00001075 -2,50E-10 C5 0,0105 0,0002692 0,00000255 1,11E-08

ACEITE 0,0000142 0,000000364 3,44E-09 1,50E-11 Componente A B C a b c

C1 1064 9,357 0,001782 0 14,17 -0,001782 C2 4661 15,54 0,003341 0 16,54 0,003341 C3 5070 26,45 0 0 22,78 0,004899 C4 5231 33,9 0,005812 0 31,97 0,005812 C5 5411 42,09 0,008017 0 39,68 0,008017

ACEITE 8000 74,67 0,03556 0 69,33 0,03556

GR2. De la corriente líquida que se indica en la siguiente figura, han de desorberse SO2 y butadienos (B3 y B2) con nitrógeno, de forma que el producto de butadienosulfona (BS) contenga menos de 0.05% en moles de SO2 y menos de 0.5% en moles de butadienos. Calcula la velocidad de flujo de nitrógeno y el número de etapas de equilibrio que se requieren.

Datos: Para el cálculo de los valores de K se considerará comportamiento ideal y se utilizará la ecuación de Antoine para calcular las presiones de vapor. Butadiensulfona (BS): Pº = exp.(17.30 – 11142/(T + 459.7)); P en psia y T en ºF entalpía BS (líquido) = 50·T (Btu/lbmol; T en ºF) GR3. La mezcla de hidrocarburos que se muestra en la siguiente figura ha de destilarse a 400 psia (2.76 MPa) para separar el etano del propano. Calcula las composiciones del destilado y las colas por el método de grupos. El alimento es vapor saturado.

GR4. La extracción líquido-líquido en contracorriente con cloruro de metileno ha de utilizarse para recuperar formamida de una corriente acuosa, de acuerdo con las especificaciones de la tabla adjunta. Determina los flujos y composiciones de las corrientes de extracto y refinado por el método de grupo utilizando unidades de masa. Los coeficientes de distribución para todos los componentes, excepto la DMF, son esencialmente constantes para todo el intervalo de composición que interviene y que, para fracciones de masa, valen: T =25 ºC Componente KDi N =10 MC 40,2 lb/h FA 0,005

Componente Alimento (lo) Disolvente (VN+1) DMA 2,2 Ácido fórmico (FA) 20 W 0,003 Dimetilamina (DMA) 20 Dimetilformamida (DMF) 400 2 Agua (W) 3560 25 Cloruro de metileno (MC) 9973 TOTAL 4000 10000

El coeficiente de distribución de la DMF depende de la concentración de la fase rica en agua, de la forma que se indica en la figura:

GR5. Determina, por el método de grupos, la separación que se puede alcanzar para la siguiente operación de absorción. Considera que se trata de un proceso isotérmico.

60ºF

500 lbmol/h de nC10

60ºF lbmol/h

C1 1660

C2 168

C3 96

nC4 52

nC5 24

Total 2000

Gas agotado

Aceite enriquecido

6 etapas75 psia

GR6. 1000 kmol/h de un gas que se encuentra a 70ºF y que contiene 25% de C1, 15% de C2, 25% de C3, 20% de nC4 y 15% de nC5, ha de absorberse con 500 kmol/h de nC10 a 70ºC en un absorbedor que opera a 4 atm. Calcula, por el método de grupos, el porcentaje de absorción de cada componente para 4 etapas teóricas. Considera que se trata de un proceso isotérmico.

TEMA 2 RIG-TG1. Resuelve la primera iteración del método de Thiele-Geddes con iteración directa a una columna como la que se muestra. Supón que los caudales de V y de L son constantes en cada sección de la columna. También se consideran constantes a través de la columna las volatilidades relativas. La estimación inicial es de Kjb = 1 (igual para todos los pisos). Utiliza la hoja de cálculo creada para resolver la cuestión anterior para resolver el problema utilizando “solver”.

Componente FXi αi Especificaciones

1 33.3 1 Condensador total. D = 50 mol/h. Alimento líquido a Teb. 2 33.3 2 N = 3. f = 2. V1 = V2 = V3 = V4 = 100 mol/h. 3 33.4 3 L1 = Lo = 50 mol/h. L2 = L3 = 150 mol/h

RIG-LM1. Resuelve la primera iteración del método de Lewis-Matheson con iteración directa a una columna como la que se muestra en el problema 1. Supón que los caudales de V y de L son constantes en cada sección de la columna. También se consideran constantes a través de la columna las volatilidades relativas. Utiliza la hoja de cálculo creada para resolver la cuestión anterior para resolver el problema utilizando “solver”. RIG-BP1. Utilizando el método BP de Wang-Henke, calcula la composición de los productos, temperaturas de las etapas, composiciones y flujos de las corrientes de vapor y líquido interetapas, servicio del ebullidor y servicio del condensador que resultan tras la primera iteracion, para las especificaciones de la siguiente columna de destilación: Alimentación (líquido saturado a 250 psia y 213.9ºF):

Componente lbmol/h etano 3.0 propano 20.0 n-butano 37.0 n-pentano 35.0 n-hexano 5.0

Presión de la columna = 250 psia Condensador parcial y ebullidor parcial Flujo de destilado = 23.0 lbmol/h Reflujo = 150 lbmol/h Número de etapas de equilibrio (excluidos el ccondensador y el ebullidor) = 15 La alimentación la envía a la etapa intermedia Para este sistema a 250 psia, los valores de K y las entalpías pueden calcularse dentro de un intervalo de temperatura de 50ºF a 350ºF mediante las siguientes ecuaciones polinómicas, utilizando las constantes que se indican (Amundson y Pontinen).

Ki = αi + βiT + γiT2 + δiT

3 HVi = Ai + BiT + CiT

2

HLi = ai + biT + ciT2

Valores de las constantes: COMPONENTE α β·104 γ·106 δ·108

C2 1.665 -1.5 73.5 -3 C3 0.84 -46.6 49.4 -3.033

nC4 -0.177 49.5 -4.15 2.22 nC5 -0.0879 17.7 0.2031 1.31 nC6 0.093 -15.39 10.37 -0.159

COMPONENTE A B C·102 T=ºF

C2 8310 13.2 0.602 H=Btu/lbmol C3 11950 12.35 2.21

nC4 16550 9.01 3.78 nC5 19200 29.5 0.72 nC6 22000 37 0

COMPONENTE a b c·102 C2 6120 9.35 1.5 C3 3620 40.5 -1.32

nC4 6280 25 4.65 nC5 6840 38.5 2.52 nC6 7920 43.5 3.02

RIG-SR1. Se va a proceder a diseñar un absorbedor a una presión de 75 psia para tratar 2000 lbmol/h de un gas a 60ºF con la siguiente composición:

Componente Fracción molar metano 0.830

etano 0.084 propano 0.048 n-butano 0.026 n-pentano 0.012

El absorbente es un aceite que puede considerarse como un componente puro con un peso molecular de 161. Calcula por el método SR de Burningham-Otto las composiciones y flujos de productos, temperaturas de las etapas, y composiciones y flujos de las corrientes interetapas de líquido y vapor para las siguientes condiciones: Caso Número de etapas Flujo de entrada Temperatura de entrada de equilibrio de absorbente (lb-mol/h) del absorbente, ºF a) 6 500 90 b) 12 500 90 c) 6 1000 90 d) 6 500 60 Para este sistema a 75 psia, los valores de K pueden calcularse, dentro de un intervalo de temperatura de 50 a 150ºF, mediante las ecuaciones polinómicas del problema anterior, utilizando las siguientes constantes:

Constantes para las propiedades termodinámicas, 75 psia, 50 -150ºF Especie α β·104 γ·106 δ·108 C1 12.25 2500 -625 0 C2 4.75 -4.27 208 -8.55 C3 2.35 -131 138 -8.47 nC4 -0. 434 121 -10.2 5.44 nC5 -0.207 41.6 0.477 3.08 Aceite abs. -0.00009 0.02 0 0

Especie A B C a b c

C1 4800 9 0 3300 11 0 C2 8310 13.2 0.00602 6120 9.35 0.015 C3 11950 12.35 0.0221 3620 40.5 -0.0132

nC4 16550 9.01 0.0378 6280 25 0.0465 nC5 19200 29.5 0.0072 6840 38.5 0.0252

Aceite abs. 37400 44 0 12800 73 0.0302

RIG-ISR1. Se desea separar una mezcla de ciclohexano y ciclopentano por extracción líquido-líquido a 25ºC con metanol. El equilibrio entre las fases puede predecirse a partir de las ecuaciones de van Laar (Aciclopentano, ciclohexano = , Aciclohexano, ciclopentano = ). Calcula, por el método ISR, las composiciones y caudales de producto y las composiciones y caudales de las corrientes interetapas para las siguientes condiciones:

a) N = 1 etapa de equilibrio b) N = 2 etapas de equilibrio c) N = 5 etapas de equilibrio d) N = 10 etapas de equilibrio

Alimentación (piso 1) = 700 lb-mol/h de ciclohexano y 300 lb-mol/h de ciclopentano. Disolvente (piso N) = 1000 lb-mol/h de metanol. RIG-SC1. Utiliza el método SC de Naphtali-Sandholm, con la correlación de Chao-Seader de las propiedades termodinámicas, para calcular composiciones de los productos, temperaturas de las etapas, caudales y composiciones interetapas, servicio del ebullidor y servicio del condensador para las siguientes especificaciones de destilación. Compara los resultados obtenidos con los dados en el Chemical Engineers’ Handbok, 5ª edición, pp- 13-32 a 13-35. ¿Por qué difieren las dos soluciones?

TEMA 3

FR1. Traza el mapa de líneas de destilación cualitativo para los siguientes sistemas ternarios: i) Benceno (80.09ºC)-Ciclohexano (80.72ºC)-2-propanol (82.26ºC); A.B.:BP (71.5ºC), BC (80ºC), CP(70.5ºC); A.T.: 69.15ºC. ii) Acetona (56.25ºC)-Cloroformo (61.18ºC)-metanol (64.7ºC); A.B.:AC (64ºC), AM (55ºC), CM (53ºC); A.T.: 58ºC. iii) Agua (100ºC)-Ác. Acético (117.9ºC)-Ác. Fórmico (100.56ºC); A.B.:AF (107.5ºC); A.T.: 107ºC. iv) 2-propanol (82.26ºC)-Benceno (80.09ºC)-Agua (1001ºC); A.B.: PB (71.5ºC), PA (80.35ºC), AB (69.4ºC); A.T.: 66.5ºC. v) A (100ºC)-B (150ºC)-C (140ºC); A.B.: BC (200ºC). vi) Acetona (56.25ºC)-Cloroformo (61.18ºC)-Hexano (68.73); A.B.: AC (64ºC), AH(49ºC) HC (60.4ºC); A.T.: 60.8ºC FR2. Obtén el diagrama de curvas de destilación para el sistema benceno-tolueno-m-xileno FR3. a) Representa una curva de destilación para el sistema n-propanol-isopropanol-benceno. b) Dibuja las fronteras de destilación para el sistema considerado. c) Comentarios. Los datos para el cálculo del equilibrio se pueden tomar del problema TBTR2. FR4. Representa una curva de residuo para el sistema n-propanol-isopropanol-benceno. ¿Qué ocurre si se toma ∆ξ = 1?. Los datos para el cálculo del equilibrio se pueden tomar del problema TBTR2. FR5. Para el sistema n-propanol-isopropanol-benceno (problemas FR3 y FR4), compara la curva de residuo y la línea de destilación que pasan por el punto de composición x1 = 0.2, x2 = 0.2 y x3 = 0.6. FR6. Dado un sistema ternario formado por A, B y C, con las temperaturas de ebullición y azeótropos binarios y ternarios que se indica:

a) ¿Se puede obtener el componente A prácticamente puro utilizando una única columna de rectificación?

b) Si una columna de rectificación se alimenta con una corriente de A puro y con una mezcla binaria de B y C, cuya composición es más rica en componente C que el azeótropo binario BC, ¿qué posibles productos de elevada pureza (componentes puros o azeótropos) puede obtenerse

utilizando una única columna de rectificación, según sean las cantidades relativas de ambas corrientes (A puro y mezcla binaria) que se alimente a la columna?

c) Dibuja las regiones de productos posibles si la mezcla global de los alimentos introducidos en la columna descrita en el apartado anterior cae en la región de destilación que contiene el vértice de A puro.

Datos: temperaturas de ebullición, A = 60ºC, B = 80ºC, C = 90ºC, azeótropo AB = 85ºC, azeótropo AC = 50ºC, azeótropo BC = 65ºC, azeótropo ternario: 66ºC.